PVS 인상재 기반 간접 측정시스템의 정밀 부품 내부 및 복잡 형상 계측 신뢰성에 대한 통계적 검증 = Statistical validation of measurement reliability for internal and complex geometries of precision components using a PVS-based indirect measurement system

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the precision parts manufacturing industry, accurate dimensional measurement of complex internal geometries and microstructures is a critical factor determining product quality and reliability. However, conventional Coordinate Measuring Machines (CMMs) face fundamental limitations in measuring narrow internal features due to the physical size of probes and approach angle restrictions. Non-contact optical measurement methods also encounter challenges in ensuring data reliability due to shadow areas caused by complex curvatures and surface reflection characteristics. To overcome these physical limitations, this study proposes an indirect measurement system utilizing Polyvinyl Siloxane (PVS) impression material. The objective is to systematize the PVS-based replication technique as an independent, statistically validated measurement system and to provide objective evidence for its industrial applicability. For this purpose, experiments were conducted on specimens containing dovetail slots and complex geometries that are highly difficult to measure directly. A precise replication and slicing process was performed using PVS material, and the acquired replicas were measured using various precision instruments, including contact CMMs, optical projectors, toolmaker's microscopes, and image dimension measurement systems. The reference values were established using a contact CMM whose performance is verified according to the international standard ISO 10360-2. The experimental design consisted of two stages. In the first stage, a two-way ANOVA with replication was applied, with measurement equipment and slicing thickness as independent variables, to analyze the influence of each factor and derive optimal process conditions that minimize inter-device deviation. In the second stage, Two One-Sided Tests (TOST) for equivalence were conducted under the derived optimal conditions to verify that the indirect measurement values were statistically equivalent to the reference values. Additionally, a Gage R&R analysis was performed to assist in verifying that the repeatability and reproducibility of the system satisfied industrial tolerance criteria. The results demonstrated that the proposed PVS-based indirect measurement system exhibited statistically significant equivalence to the reference values for most complex geometric features, including the dovetail slots. In particular, the Gage R&R analysis confirmed that the variations within the measurement system were within a state of statistical control, thereby ensuring high measurement reliability. This study holds significant original value by elevating the PVS replication technique to a practical 'measurement system' through a systematic statistical validation process. These findings suggest the feasibility of the PVS-based indirect measurement system as a non-destructive and alternative measurement technology for precision parts with complex internal structures and are expected to serve as foundational data for enhancing quality control efficiency in various precision manufacturing fields.

국문 초록 (Abstract)

정밀부품 제조 산업에서는 제품의 고기능화에 따라 부품의 구조가 더욱 복잡해지고 있으며, 이에 따라 내부 핵심 구조에 대한 정확한 치수 측정은 품질 보증 및 신뢰성 확보를 위한 필수 과제로 대두되고 있다. 그러나 산업 현장의 표준 장비인 접촉식 3차원 측정기(CMM)는 측정 프로브의 물리적 크기와 진입각 제한으로 인해 협소한 내부 형상 측정에 근본적인 한계가 있으며, 비접촉식 광학 측정 방식 또한 복잡한 굴곡에 의한 음영 지역 발생과 표면 반사 특성으로 인해 계측 데이터의 신뢰성을 확보하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 이러한 기존 측정 방식의 물리적 한계를 극복하기 위한 대안으로 Polyvinyl Siloxane(PVS) 인상재를 활용한 간접 측정시스템을 제안하였으며, 해당 시스템을 공학적 검증을 거친 독립적인 측정 시스템으로 체계화하고 그 산업적 적용 가능성을 통계적으로 입증하고자 하였다. 이를 위해 본 연구에서는 직접 측정이 매우 난해한 도브테일(Dovetail) 홈 및 복잡형상(Complex geometry)을 포함한 시험편을 대상으로 실험을 진행하였다. 해당 시험편에 대해 PVS 인상재를 이용한 정밀 복제 및 슬라이싱(Slicing) 공정을 수행하였으며, 확보된 복제본을 접촉식 3차원 측정기, 광학 투영기, 공구현미경 등 정밀 계측 장비를 통해 정밀측정 하였다. 기준값은 국제 표준 ISO 10360-2에 따라 성능이 규정된 접촉식 CMM 측정값을 활용하였다. 실험 설계는 총 2단계로 구성하였는데, 1단계에서는 측정 장비와 슬라이싱 두께를 독립변수로 설정한 반복 있는 이원배치 실험계획법(Two-way ANOVA)을 적용하여 측정 요인별 영향력을 분석하고 최적의 공정 조건을 도출하였다. 2단계에서는 도출된 최적 조건 하에서 TOST(Two One-Sided Tests) 동등성 검정을 시행하여 간접 측정값이 기준값과 통계적으로 동등한 수준임을 입증하였으며, Gage R&R 분석을 통해 시스템의 반복성과 재현성이 산업적 허용 기준 내에 있음을 보조적으로 검증하였다. 연구 결과, 제안된 PVS 인상재 기반 간접 측정시스템은 직접 측정이 어려운 도브테일 홈 등 대부분의 복잡형상 요소에서 기준값 대비 통계적으로 유의미한 동등성을 나타내었다. 특히 Gage R&R 분석 결과, 측정 시스템 내 변동이 통계적 관리 상태 내에 있음을 확인하여 본 시스템의 높은 계측 신뢰성을 확보하였다. 본 연구는 PVS 복제 기술을 체계적인 통계적 검증 과정을 통해 실무적인 측정 시스템으로 격상시켰다는 점에서 독창적인 의의를 갖는다. 이러한 결과는 향후 복잡한 내부 구조를 가진 정밀 부품의 비파괴 계측 및 대체 측정 기술로서 PVS 간접 측정시스템의 활용 가능성을 시사하며, 산업 현장의 품질 관리 효율성을 제고하는 핵심적인 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 표목차 ⅰ
• 그림목차 ⅱ
• 국문초록 ⅳ
• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 필요성 1
• 1.2 정밀부품 산업에서의 측정기술 동향 2
• 1.3 기존 측정기술의 한계와 문제점 6
• 1.3.1 접촉식 측정의 구조적 제약 6
• 1.3.2 파괴기반 측정 방식의 한계 7
• 1.3.3 비접촉식 광학 측정 방식의 형상 한계 8
• 1.3.4 수공구 기반 측정 방식의 구조적 제약 8
• 1.4 인상재 기반 광학측정 기술의 개요 9
• 1.4.1 인상재 충진 및 경화 10
• 1.4.2 복제물(인상체)의 분리 및 슬라이싱(Slicing) 11
• 1.4.3 광학 장비를 활용한 단면 형상의 정밀측정 12
• 1.5 연구 범위 및 논문 구성 체계 13
• Ⅱ. 이론적 배경 및 선행연구 고찰 16
• 2.1 정밀 기계부품의 측정 필요성과 품질관리 현왕 16
• 2.2 기존 측정 기술 비교 19
• 2.3 인상재의 이해 22
• 2.3.1 인상재료의 재료 특성과 원리 23
• 2.3.2 인상재의 정확성 및 복원력 25
• 2.4 통계적 분석 방법론 26
• 2.4.1 실험계획법(Design of Experiments, DOE)의 개념 27
• 2.4.2 분산분석(Analysis of Variance, ANOVA) 29
• 2.4.3 분산분석 후의 추정(Tukey’s HSD) 31
• 2.4.4 동등성 검정(Equivalence Test, TOST) 32
• 2.4.5 반복성·재현성 평가(Gage R&R) 34
• 2.5 정밀 측정 장비의 이론적 배경 37
• 2.5.1 접촉식 3차원 측정기 (CMM) 37
• 2.5.2 광학 투영기 (Optical Comparator) 39
• 2.5.3 공구현미경 (Toolmaker’s Microscope) 40
• 2.5.4 이미지 치수 측정시스템 (Image Dimension Measurement System) 41
• 2.5.5 장비 사양 및 성능 비교 분석 43
• Ⅲ. 연구 방법 및 실험 설계 45
• 3.1 연구절차 45
• 3.2 실험환경 및 준비 46
• 3.2.1 환경통제 46
• 3.2.2 정밀측정 장비 48
• 3.2.3 인상재 관리 48
• 3.3 대상 부품 선정 및 주요 대상 소개 49
• 3.3.1 시험편 ㉮: 도브테일 홈(Dovetail groove) 50
• 3.3.2 시험편 ㉯: 복잡 형상(Complex geometry) 51
• 3.3.3 기준값 설정 52
• 3.4 인상재를 활용한 측정기술의 실험 방법 55
• 3.4.1 인상재 준비 과정 56
• 3.4.2 측정 대상 부위의 인상재 충진 및 경화 57
• 3.4.3 인상재 복제물(인상체)의 분리 및 슬라이싱 58
• 3.4.4 광학 투영기를 활용한 인상재편의 단면 정밀 측정 59
• 3.4.5 공구현미경을 활용한 인상재편의 단면 정밀 측정 60
• 3.4.6 이미지 치수 측정 시스템을 활용한 인상재편의 단면 정밀 측정 62
• 3.5 실험계획법(DOE)를 활용한 실험설계 63
• 3.5.1 반복있는 이원배치 설계 (Two-Way Factorial Design with Replication) 65
• 3.5.2 일원배치 설계 (One-Way Experimental Design) 68
• Ⅳ. 실험결과 및 분석 70
• 4.1 Results of Two-Way ANOVA with Replication 70
• 4.1.1 Two-Way ANOVA for Interior Angle ㉠ 72
• 4.1.1.1 ANOVA 결과 해석 ㉠ 73
• 4.1.1.2 Pooling ANOVA 결과 해석 ㉠ 74
• 4.1.1.3 신뢰구간(Confidence Interval) 분석 ㉠ 75
• 4.1.1.4 Tukey HSD 사후검정 ㉠ 77
• 4.1.2 Two-Way ANOVA for Radius of Curvature ㉡ 80
• 4.1.2.1 ANOVA 결과 해석 ㉡ 81
• 4.1.2.2 Pooling ANOVA 결과 해석 ㉡ 82
• 4.1.2.3 신뢰구간(Confidence Interval) 분석 ㉡ 83
• 4.1.2.4 Tukey HSD 사후검정 ㉡ 86
• 4.1.3 Two-Way ANOVA for Length Dimensions ㉢ 87
• 4.1.3.1 ANOVA 결과 해석 ㉢ 89
• 4.1.3.2 Pooling ANOVA 결과 해석 ㉢ 90
• 4.1.3.3 신뢰구간(Confidence Interval) 분석 ㉢ 90
• 4.1.3.4 Tukey HSD 사후검정 ㉢ 93
• 4.1.4 Two-Way ANOVA for External Angle ㉣ 94
• 4.1.4.1 ANOVA 결과 해석 ㉣ 95
• 4.1.4.2 Pooling ANOVA 결과 해석 ㉣ 97
• 4.1.4.3 신뢰구간(Confidence Interval) 분석 ㉣ 97
• 4.1.4.4 Tukey HSD 사후검정 ㉣ 100
• 4.1.5 Two-Way ANOVA for Hemispherical Groove ㉤ 102
• 4.1.5.1 ANOVA 결과 해석 ㉤ 103
• 4.1.5.2 Pooling ANOVA 결과 해석 ㉤ 105
• 4.1.5.3 신뢰구간(Confidence Interval) 분석 ㉤ 105
• 4.1.5.4 Tukey HSD 사후검정 ㉤ 108
• 4.2 Results of One-Way ANOVA 109
• 4.2.1 One-Way ANOVA for Interior Angle ㉠ 110
• 4.2.1.1 TOST(동등성 검정) ㉠ 113
• 4.2.2 One-Way ANOVA for Radius of curvature ㉡ 116
• 4.2.2.1 TOST(동등성 검정) ㉡ 119
• 4.2.3 One-Way ANOVA for Length Dimensions ㉢ 121
• 4.2.3.1 TOST(동등성 검정) ㉢ 125
• 4.2.4 One-Way ANOVA for External angle ㉣ 126
• 4.2.4.1 TOST(동등성 검정) ㉣ 130
• 4.2.5 One-Way ANOVA for Hemispherical groove ㉤ 131
• 4.2.5.1 TOST(동등성 검정) ㉤ 134
• 4.3 Gage R&R ANOVA 136
• 4.3.1 Gage R&R for Interior Angle ㉠ 139
• 4.3.2 Gage R&R for Radius of curvature ㉡ 142
• 4.3.3 Gage R&R for Length Dimensions ㉢ 144
• 4.3.4 Gage R&R for External angle ㉣ 146
• 4.3.5 Gage R&R for Hemispherical groove ㉤ 149
• Ⅴ. 논의 151
• 5.1 본 연구 결과와 선행연구 간 비교 및 고찰 151
• 5.2 연구의 기여점 152
• 5.3 연구의 한계점 152
• 5.4 향후 연구 계획 153
• Ⅵ. 결론 154
• Ⅶ. 참고문헌 157
• Abstract ⅵ